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OpenGL入门第一课--名称解释


       很多0基础的人在看OpenGL相关的书籍的时候都会觉得云里雾里,很难,这是因为OpenGL中有很多令人费解的专业术语,所以想要入门OpenGL理解这些专业术语是很有必要的。下面我们一起来理解一下这些烦人的家伙.

1、OpenGL状态机

状态机是一种理论上的机器,它具有一下特点:

  • 1):有记忆功能能记住当前的状态;
  • 2):可以接收输入,能够根据这些输入和当前的状态,修改当前的状态,并且可以有相应的输出;
  • 3):当进入特殊状态(停机状态)的时候停止工作,不接收任何输入了。

怎么样,是不是很懵逼,很难理解。大家可以把它想象成一个类似手机或者电脑的机器,比如电脑有自己的磁盘,内存等存储了安装的所有应用程序和其他文件,这些就是电脑当前的状态;电脑有鼠标键盘等可以输入各种信息,并能够根据输入修改存储在电脑上的文件 以及安装的程序等等,还可以通过显示屏输出相应的信息;当电脑关机后就不能接收任何输入了。怎么样是不是和刚好满足状态机的所有特点,所有为了帮助理解大家完全可以把状态机理解为一台和电脑很相似的机器。

类推到OpenGL中,对应OpenGL状态机我们可以这么理解:

  • OpenGL可以记住当前的状态。比如:当前所使用的颜色,是否开启了混合功能,是否开启了深度测试等功能。(有点像电脑所使用的桌面,是否开启了某个应用程序等等)
  • OpenGL可以接收输入。比如:当调用OpenGL函数的时候,实际上可以看成是OpenGL在接收我们的输入(当调用glColor3f的时候,OpenGL接收到这个输入就会修改自己“当前颜色”这个状态)
  • OpenGL可以进入停止状态,停止接收任何输入。比如在程序退出前OpenGL总会先停止工作的

OpenGL状态机保持自身的状态,除非用户输入一条命令让它改变状态

2、OpenGL上下文(context)

       在应用程序调用任何OpenGL的指令之前,需要首先创建一个OpenGL的上下文。这个上下文是一个非常庞大的状态机,它保存了OpenGL中的各种状态,这也是OpenGL指令执行的基础 

        OpenGL的函数不管在哪个语言中,都是类似C语言一样的⾯向过程的函数,本质上都是对OpenGL上下文这个庞大的状态机中的某个状态或者对象进行操作,当然你得首先把这个对象设置为当前对象。因此,通过对 OpenGL指令的封装,是可以将OpenGL的相关调用封装成为一个⾯向对象的图形API的 

     由于OpenGL上下文是一个巨大的状态机,切换上下⽂往往会产生较大的开销,但是不同的绘制模块,可能需要使用完全独立的状态管理。因此,可以在应用程序中分别创建多个不同的上下文,在不同线程中使用不同的上下文,上下文之间共享纹理、缓冲区等资源。这样的⽅案,会比反复切换 上下文,或者大量修改渲染状态,更加合理高效 

3、顶点数组(VertexArray)和顶点缓冲区(VertexBuffer)

      顶点指的是图形的顶点位置数据(在3D笛卡尔坐标中即x,y,z坐标)这些数据可以直接存到内存数组中,这个数组就叫做顶点数组。为提供性能也可以提前分配一块显存,将这些顶点数据提前存到显存当中,这一块显存就叫做顶点缓冲区。

4、管线

     在OpenGL下渲染图形,就会经历一个个节点.而这样的操作可以理解为管线.大家可以想象成流水线.每个任务类似流水线般执行.任务之间有先后顺序. 管线是一个抽象的概念,之所以称之为管线是因为显卡在处理理数据的时候是按照 一个固定的顺序来的,而且严格按照这个顺序。就像水从一根管子的一端流到另一端,这个顺序是不能打破的 。

5、固定管线/存储着色器

     先说一下什么是着色器,简单的理解着色器就可以理解为一个具有特定功能的函数,包含了光照、坐标变换,裁剪等等功能。

     早期的OpenGL版本封装了很多这样的着色器来帮助开发者完成图形渲染,而开发者只需要传入相应的参数,就能快速完成图形的渲染. 类似于iOS开发会封装很多API,而我们只需要调用,就可以实现功能.不需要关注底层实现原理。这些被封装好的,不能被修改的固定的着色器或者说固定的函数 就是固定管线也称为存储着色器。

     但是由于OpenGL的使用场景非常丰富,固定管线或存储着色器无法完成每一个业务.这时将相关部分开放成可编程的,即可编程着色器。由此就全⾯将固定渲染管线架构变为了可编程渲染管线。因此,OpenGL在实际调用绘制函数之前,还需要指定一个由shader编译成的着色器器程序。常见的着色器主要有顶点着色器(VertexShader),片段着色器 (FragmentShader)/像素着色器(PixelShader),⼏何着色器 (GeometryShader),曲面细分着色器(TessellationShader)。片段着色器和像素着色器只是在OpenGL和DX中的不同叫法而已。可惜的是,直到 OpenGLES 3.0,依然只支持了顶点着色器和⽚段着色器这两个最基础的着色器。 

      OpenGL在处理Shader时,和其他编译器一样。通过编译、链接等步骤,生成了着⾊器程序(glProgram),着⾊器程序同时包含了顶点着⾊器和⽚段着⾊器的运算逻辑。在OpenGL进行绘制的时候,⾸先由顶点着⾊器对传⼊的顶点数据进行运算。再通过图元装配,将顶点转换为图元。然后进行光栅化,将图元这种⽮量图形,转换为栅格化数据。最后,将栅格化数据传入⽚段着⾊器中进行运算。⽚段着色器会对栅格化数据中的每⼀个像素进行运算,并决定像素的颜⾊。

6、顶点着色器(VertexShader)

     顶点着色器一般用来处理图形每个顶点的变换(平移、旋转、投影等)

     顶点着⾊器是OpenGL中⽤于计算顶点属性的程序。顶点着色器是逐顶点运算的程序,也就是说每个顶点数据都会执行⼀次顶点着⾊器,当然这是并行的,并且顶点着⾊器运算过程中⽆无法访问其他顶点的数据 

     一般来说典型的需要计算的顶点属性主要包括顶点坐标变换、逐顶点光照运算等等。顶点坐标由⾃身坐标系转换到归一化坐标系的运算,就是在这里发⽣的。 

7、片元着色器(FragmentShader)

     片元着色器一般⽤来处理图形中每个像素点颜⾊计算和填充 。片元着色器又叫片段着色器,在DX中又叫像素着色器,所以这三个概念实际上是等价的。

     片段着⾊器是OpenGL中⽤于计算⽚段(像素)颜色的程序。片段着⾊器是逐像素运算的程序,也就是说每个像素都会执行⼀次片段着⾊器,当然也是并行的 。

8、GLSL(OpenGL Shading language)

      OpenGL着⾊语言(OpenGL Shading Language)是⽤来在OpenGL中着⾊编程的语言,也即开发⼈员写的短小的⾃定义程序,他们是在图形卡的GPU (Graphic Processor Unit图形处理单元)上执行的,代替了固定渲染管线的一部分,使渲染管线中不同层次具有可编程性。⽐如:视图转换、投影转换等。GLSL(GL Shading Language)的着⾊器代码分成2个部分: Vertex Shader(顶点着⾊器)和Fragment(⽚断着色器) 

9、光栅化(Rasterization)

      光栅化是把顶点数据转换为片元的过程,具有将图转化为⼀个个栅格组成的图象的作用,特点是片元中的每个元素对应帧缓冲区中的一像素 。

     光栅化其实是一种将几何图元变为二维图像的过程。该过程包含了两部分的工作。第一部分工作:决定窗⼝坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用;第二部分工作:分配一个颜色值和⼀一个深度值到各个区域。光栅化过程产⽣的是片元 。

     把物体的数学描述以及与物体相关的颜⾊信息转换为屏幕上用于对应位置的像素及用于填充像素的颜色,这个过程称为光栅化,这是一个将模拟信号转化为离散信号的过程 。

10、纹理

     纹理可以理解为图片. 大家在渲染图形时需要在其编码填充图片,为了使得场景更加逼真.而这里使用的图片,就是常说的纹理.但是在OpenGL中,我们更加习惯叫纹理,⽽不是图片. 

11、混合(Blending)

     在测试阶段之后,如果像素依然没有被剔除,那么像素的颜色将会和帧缓冲区中颜色附着上的颜⾊进⾏混合,混合的算法可以通过OpenGL的函数进行指定。但是OpenGL提供的混合算法是有限的,如果需要更加复杂的混合算法,一般可以通过像素着色器进行实现,当然性能会⽐比原⽣的混合算法差一些. 

      



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